(57)【要約】【課題】安価で製作が容易な粗微動位置決め装置を提供する。【解決手段】粗微動位置決め装置は、移動台を移動させる粗動機構と、粗動機構よりも高い移動精度で移動台を移動させる微動機構と、移動台の位置を検出する位置センサと、位置センサからのフィードバック信号に基づいて粗動機構を制御する粗動制御装置と、位置センサからのフィードバック信号に基づいて微動機構を制御する微動制御装置と、フィードバック経路に介在して設けられた信号調整器とを備える。信号調整器は、位置センサの検出信号を第１分解能でエンコードして得られた第１エンコード信号を粗動制御装置に出力し、位置センサの検出信号を第２分解能でエンコードして得られた第２エンコード信号と指令値信号との偏差を示す偏差信号を微動制御装置に出力する。【選択図】  図４
2007198909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動部と、前記移動部を移動させる粗動機構と、前記粗動機構よりも高い移動精度で前記移動部を移動させる微動機構と、前記移動部の移動実績に関するフィードバック信号に基づいて前記粗動機構を制御する粗動制御装置と、前記フィードバック信号に基づいて前記微動機構を制御する微動制御装置とを備え、前記移動部の位置決めを行う粗微動位置決め装置であって、
前記移動部の位置を検出する位置センサと、前記位置センサの検出信号に基づいて、第１分解能の前記フィードバック信号を前記粗動制御装置に出力するとともに前記第１分解能よりも高い第２分解能の前記フィードバック信号を前記微動制御装置に出力する信号調整手段とを備えることを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記粗動制御装置は、粗動制御が完了したことを示す粗動完了信号を前記微動制御装置に出力し、
前記微動制御装置は、前記粗動完了信号に基づいて微動制御を開始することを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項３】
請求項１および２のいずれか１項において、
前記粗動制御装置は、前記移動部の目標位置を示す指令値信号を前記信号調整手段に出力し、
前記信号調整手段は、前記位置センサの検出信号を前記第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号を前記フィードバック信号として前記粗動制御装置に出力し、前記位置センサの検出信号を前記第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号と前記指令値信号との偏差を示す偏差信号を前記フィードバック信号として前記微動制御装置に出力することを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項４】
請求項１および２のいずれか１項において、
前記信号調整手段は、前記位置センサの検出信号を前記第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号を前記フィードバック信号として前記粗動制御装置に出力し、前記位置センサの検出信号を前記第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号を前記フィードバック信号として前記微動制御装置に出力することを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記微動制御装置へのフィードバック信号は、アナログ信号であることを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記微動制御装置へのフィードバック信号は、デジタル信号であることを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、
前記粗動機構は、基台に回転可能に支持されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、前記移動部に固定されたナットと、前記粗動制御装置からの駆動信号に基づいて駆動し、前記ねじ軸を回転させるモータとを備え、
前記微動機構は、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記基台に固定され、前記転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、前記微動制御装置からの制御電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータとを備え、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪を前記ねじ軸に嵌合させ、前記内輪を前記ねじ軸に前記軸方向に固定し、前記外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにしたことを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項において、
前記粗動機構は、基台に固定されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、前記移動部に回転可能に支持されたナットと、前記粗動制御装置からの駆動信号に基づいて駆動し、前記ナットを回転させるモータとを備え、
前記微動機構は、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記移動部に固定され、前記転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、前記微動制御装置からの制御電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータとを備え、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪を前記ナットに嵌合させ、前記内輪を前記ナットに前記軸方向に固定し、前記外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにしたことを特徴とする粗微動位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長ストロークの範囲で高精度な微細位置決めを行う粗微動位置決め装置に係り、特に、安価で製作が容易な粗微動位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、粗微動位置決め装置としては、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。
特許文献１記載の技術は、ベースに対してテーブルを軸方向に移動させる粗動機構と、粗動動作終了後に圧電アクチュエータの伸縮を利用してベースに対してテーブルを軸方向に移動させる微動機構と、粗動調整変位検出手段および微動調整変位検出手段を兼用する１台の変位検出手段と、変位検出手段からの検出信号に基づいて粗動機構および微動機構をフィードバック制御するコントローラとを備えるものである。（同文献段落［００４７］、［００５３］）
【特許文献１】特開平９−１９２９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１記載の技術にあっては、微動制御を行うため、分解能の高い変位検出手段を利用しなければならない一方、粗動制御には、分解能の高い検出信号は不要であるため、変位検出手段を兼用すると、コントローラとして高価な製品を利用しなければならず、コストの増加を招くという問題があった。
また、微動機構を有しない既存の位置決め装置を改良し、粗微動位置決め装置を製作する場合、特許文献１記載の技術のように、粗微動位置決め装置専用のコントローラを導入しなければならないため、システムを再構築しなければならず、多大な時間と労力を要するという問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、安価で製作が容易な粗微動位置決め装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の粗微動位置決め装置は、移動部と、前記移動部を移動させる粗動機構と、前記粗動機構よりも高い移動精度で前記移動部を移動させる微動機構と、前記移動部の移動実績に関するフィードバック信号に基づいて前記粗動機構を制御する粗動制御装置と、前記フィードバック信号に基づいて前記微動機構を制御する微動制御装置とを備え、前記移動部の位置決めを行う粗微動位置決め装置であって、前記移動部の位置を検出する位置センサと、前記位置センサの検出信号に基づいて、第１分解能の前記フィードバック信号を前記粗動制御装置に出力するとともに前記第１分解能よりも高い第２分解能の前記フィードバック信号を前記微動制御装置に出力する信号調整手段とを備える。
【０００５】
このような構成であれば、粗動制御装置により粗動機構が制御され、粗動機構の駆動により移動部が移動する。次いで、位置センサにより、移動部の位置が検出され、信号調整手段により、位置センサの検出信号に基づいて第１分解能のフィードバック信号が粗動制御装置に出力される。そして、粗動制御装置により、入力されたフィードバック信号に基づいて粗動機構が制御される。
【０００６】
また、微動制御装置により微動機構が制御され、微動機構の駆動により移動部が高い移動精度で移動する。次いで、位置センサにより、移動部の位置が検出され、信号調整手段により、位置センサの検出信号に基づいて第１分解能よりも高い第２分解能のフィードバック信号が微動制御装置に出力される。そして、微動制御装置により、入力されたフィードバック信号に基づいて微動機構が制御される。
ここで、粗動制御および微動制御は、それぞれ独立に行ってもよいが、制御を単純化する観点からは、粗動制御が完了した後に微動制御を行うのが好ましい。
【０００７】
さらに、本発明に係る請求項２記載の粗微動位置決め装置は、請求項１記載の粗微動位置決め装置において、前記粗動制御装置は、粗動制御が完了したことを示す粗動完了信号を前記微動制御装置に出力し、前記微動制御装置は、前記粗動完了信号に基づいて微動制御を開始する。
このような構成であれば、粗動制御装置では、粗動制御が完了すると、粗動完了信号が微動制御装置に出力される。微動制御装置では、粗動完了信号が入力されると、微動制御が開始される。
【０００８】
さらに、本発明に係る請求項３記載の粗微動位置決め装置は、請求項１および２のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記粗動制御装置は、前記移動部の目標位置を示す指令値信号を前記信号調整手段に出力し、前記信号調整手段は、前記位置センサの検出信号を前記第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号を前記フィードバック信号として前記粗動制御装置に出力し、前記位置センサの検出信号を前記第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号と前記指令値信号との偏差を示す偏差信号を前記フィードバック信号として前記微動制御装置に出力する。
【０００９】
このような構成であれば、粗動制御装置により、移動部の目標位置を示す指令値信号が信号調整手段に出力される。そして、信号調整手段により、位置センサの検出信号を第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号がフィードバック信号として粗動制御装置に出力される。また、位置センサの検出信号を第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号と指令値信号との偏差を示す偏差信号がフィードバック信号として微動制御装置に出力される。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項４記載の粗微動位置決め装置は、請求項１および２のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記信号調整手段は、前記位置センサの検出信号を前記第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号を前記フィードバック信号として前記粗動制御装置に出力し、前記位置センサの検出信号を前記第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号を前記フィードバック信号として前記微動制御装置に出力する。
このような構成であれば、信号調整手段により、位置センサの検出信号を第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号がフィードバック信号として粗動制御装置に出力される。また、位置センサの検出信号を第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号がフィードバック信号として微動制御装置に出力される。
【００１１】
さらに、本発明に係る請求項５記載の粗微動位置決め装置は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記微動制御装置へのフィードバック信号は、アナログ信号である。
このような構成であれば、信号調整手段により、フィードバック信号がアナログ信号として微動制御装置に出力される。
【００１２】
さらに、本発明に係る請求項６記載の粗微動位置決め装置は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記微動制御装置へのフィードバック信号は、デジタル信号である。
このような構成であれば、信号調整手段により、フィードバック信号がデジタル信号として微動制御装置に出力される。
【００１３】
さらに、本発明に係る請求項７記載の粗微動位置決め装置は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記粗動機構は、基台に回転可能に支持されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、前記移動部に固定されたナットと、前記粗動制御装置からの駆動信号に基づいて駆動し、前記ねじ軸を回転させるモータとを備え、前記微動機構は、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記基台に固定され、前記転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、前記微動制御装置からの制御電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータとを備え、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪を前記ねじ軸に嵌合させ、前記内輪を前記ねじ軸に前記軸方向に固定し、前記外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにした。
【００１４】
このような構成であれば、粗動機構では、粗動制御装置からの駆動信号に基づいてモータが駆動してねじ軸が回転し、移動部に固定されているナットが軸方向に移動し、これに伴って移動部が移動する。
微動機構では、微動制御装置からの制御電圧に応じて圧電アクチュエータが伸縮すると、外輪間の軸方向の距離が変化する。このとき、外輪の一方が軸方向に拘束されているので、外輪間の変位によって外輪と内輪との間に弾性変形が生じ、それぞれの内輪が変位する。そして、内輪の変位に伴って移動部が移動する。また、圧電アクチュエータの伸長時には、圧電アクチュエータに予圧の反力が作用するので、圧縮荷重を掛けながら微動動作が行われる。
【００１５】
さらに、本発明に係る請求項８記載の粗微動位置決め装置は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記粗動機構は、基台に固定されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、前記移動部に回転可能に支持されたナットと、前記粗動制御装置からの駆動信号に基づいて駆動し、前記ナットを回転させるモータとを備え、前記微動機構は、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記移動部に固定され、前記転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、前記微動制御装置からの制御電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータとを備え、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪を前記ナットに嵌合させ、前記内輪を前記ナットに前記軸方向に固定し、前記外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにした。
【００１６】
このような構成であれば、粗動機構では、粗動制御装置からの駆動信号に基づいてモータが駆動してナットが回転し、これに伴って移動部が軸方向に移動する。
微動機構では、微動制御装置からの制御電圧に応じて圧電アクチュエータが伸縮すると、外輪間の軸方向の距離が変化する。このとき、外輪の一方が軸方向に拘束されているので、外輪間の変位によって外輪と内輪との間に弾性変形が生じ、それぞれの内輪が変位する。そして、内輪の変位に伴って移動部が移動する。また、圧電アクチュエータの伸長時には、圧電アクチュエータに予圧の反力が作用するので、圧縮荷重を掛けながら微動動作が行われる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明に係る請求項１記載の粗微動位置決め装置によれば、微動機構を有しない既存の位置決め装置に対して、粗微動位置決め装置専用のコントローラを導入することなく、微動機構、微動制御装置および信号調整手段を導入するだけで製作することができるので、従来に比して、システムを再構築しなくてすみ、製作に要する時間や労力を低減することができるという効果が得られる。また、粗動制御装置には、分解能の低いフィードバック信号を入力する構成としたことにより、粗動制御装置として安価な製品を利用することができるとともに、粗動制御装置がフィードバック信号を読み取る周期を短くしなくてすむので、従来に比して、コストを低減することができる。
【００１８】
さらに、本発明に係る請求項２記載の粗微動位置決め装置によれば、粗動動作と微動動作の動きが重なって、粗動動作の動きを微動で補正するように制御が干渉し合うことがないので、制御を単純化することができるという効果が得られる。
さらに、本発明に係る請求項５記載の粗微動位置決め装置によれば、微動制御装置として高価なサーボ制御装置を利用しなくてもすむので、コストをさらに低減することができるという効果が得られる。
【００１９】
さらに、本発明に係る請求項７または８記載の粗微動位置決め装置によれば、対向配置した転がり軸受装置を剛性の高いバネ部材として機能させ、圧電アクチュエータの圧縮方向の高い剛性と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、微動機構の剛性を高く維持することができるので、応答性が高い微動動作を実現することができるという効果が得られる。また、圧電アクチュエータの伸長時に圧電アクチュエータに予圧の反力が作用し、圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせることができるので、圧電アクチュエータの引張荷重による破損の発生を防止することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図８は、本発明に係る粗微動位置決め装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、粗微動位置決め装置１の移動機構を説明する。
図１は、回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
図２は、粗微動位置決め装置１の平面図である。
図３は、粗微動位置決め装置１の側面図である。
【００２１】
２は直線案内機構であり、レール３に転動体を介して組付けられた鞍状のスライダ４からなるリニアガイド装置であって、レール３は粗微動位置決め装置１の基台５に設置され、スライダ４の移動台取付面４ａには、粗微動位置決め装置１の移動台６がボルト等により取り付けられる。直線案内機構２は、粗動機構１０のねじ軸１１の長手方向（軸方向という）と平行にねじ軸１１の両側に設置された２本のレール３と、各レール３に組付けられた２個、計４個のスライダ４とを有して構成されている。
【００２２】
粗動機構１０は、ねじ軸１１の外周面に形成した螺旋状の軸軌道溝１１ａと、ナット１２の内周面に形成した軸軌道溝１１ａに対向する図示しないナット軌道溝とを複数の図示しないボールを介して螺合させた送りねじ装置としてのボールねじ装置１３と、ねじ軸１１の一端に配置され、基台５に設置されたステッピングモータ等の正逆回転可能な駆動モータ１４と、駆動モータ１４とねじ軸１１とを連結するカップリング１５と、ねじ軸１１の他端に配置され、基台５に設置された深溝玉軸受等の支持軸受１６とを有して構成されている。
【００２３】
ナット１２は移動台６に固定され、ねじ軸１１とはオーバーサイズボール等による予圧により軸方向に遊びがない状態で螺合している。また、支持軸受１６は、ねじ軸１１を回転可能に支持するとともにねじ軸１１の他端を軸方向の遊びにより移動可能に支持している。
１７は位置センサであり、移動台６に固定され、基台５にねじ軸１１と平行に設置されたスケール１８に等間隔に形成された細かな凹凸を検出してその検出信号を後述する粗動制御装置４５ａおよび微動制御装置４５ｂに出力する機能を有している。粗動制御装置４５ａおよび微動制御装置４５ｂは、位置センサ１７の検出信号を用いて移動台６と基台５との相対移動量を測定する。
【００２４】
図１において、２０ａ、２０ｂはそれぞれ転がり軸受装置としてのアンギュラ玉軸受であり、外輪２１ａ、２１ｂの内周面に形成された外輪軌道２２ａ、２２ｂと、内輪２３ａ、２３ｂの外周面に形成された内輪軌道２４ａ、２４ｂとの間に配設された複数の転動体としてのボール２５ａ、２５ｂとを有して構成されている。
アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂは、正面組合せとして対向配置され、内輪２３ａ、２３ｂの内周面が、ねじ軸１１の駆動モータ１４側に形成された嵌合軸２６の外周面に嵌合し、外輪２２ａ、２２ｂの外周面が、基台５にボルト等により固定されたハウジング２７の内周面に嵌合して支持軸受１６とともにねじ軸１１を回転可能に支持する。
【００２５】
２９は内輪係止部であり、ねじ軸１１の軸軌道溝１１ａと嵌合軸２６との間に形成された内輪２３ａ、２３ｂの外径と略同等の直径を有する大径部であって、内輪２３ａの一方の側面を係止する。
３０は内輪間座であり、内輪２３ａ、２３ｂと略同等の外径および内径を有する円筒状部材であって、その内周面が嵌合軸２６の外周面に嵌合して内輪２３ａ、２３ｂの間に配置される。
【００２６】
３１は内輪スペーサであり、内輪２３ａ、２３ｂと略同等の外径および内径を有する円筒状部材であって、その内周面が嵌合軸２６の外周面に嵌合して内輪２３ｂの内輪間座３０の反対側に配置される。
３２はロックナットであり、嵌合軸２６の駆動モータ１４側に設けられたねじ部３３に螺合して内輪係止部２９との間で内輪２３ａ、内輪間座３０、内輪２３ｂおよび内輪スペーサ３１を締め付け、ねじ軸１１上での内輪２３ａ、２３ｂの移動を固定する。
【００２７】
３４はカップリング取付部であり、ねじ軸１１の駆動モータ１４側の端部に設けられたねじ部３３の谷径以下の直径を有する小径部であって、カップリング１５が嵌合して取り付けられ、駆動モータ１４からの動力が伝達される。
３６は圧電アクチュエータであり、内輪スペーサ３１が挿入可能な中空部３６ａを有する単独または複数の圧電素子を積層した中空のアクチュエータであって、その外周面をハウジング２７の内周面に嵌合して外輪２１ｂの駆動モータ１４側に配置され、外部から印加される電圧に応じて軸方向に伸縮する。圧電アクチュエータ３６は、複数の円環状の圧電素子を積層した積層型の円筒状のアクチュエータである。
【００２８】
３７は外輪スペーサであり、外輪２１ａ、２１ｂと略同等の外径および内径を有する円筒状部材であって、その外周面がハウジング２７の内周面に嵌合して外輪２１ｂと圧電アクチュエータ３６の間に配置される。
３８は外輪係止部であり、ハウジング２７の内周面の内輪係止部２９と対向する位置に形成された外輪２１ａ、２１ｂの内径と略同等の直径を有する段部であって、外輪２１ａの一方の側面を係止する。
【００２９】
３９はカバーであり、内輪スペーサ３１が挿入可能な内径を有し、ハウジング２７と略同等の外径を有する中空の円盤部材であって、ハウジング２７の駆動モータ１４側の端面に形成されたねじ穴２７ａを用いてボルト等によりハウジング２７に締結され、外輪係止部３８との間で外輪２１ａ、２１ｂ、外輪スペーサ３７および圧電アクチュエータ３６を押圧する。
【００３０】
これにより、外輪２１ａは、外輪係止部３８により軸方向の移動が拘束されるとともに拘束されない側の外輪２１ｂが外輪スペーサ３７および非通電とした圧電アクチュエータ３６を介して押圧され、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧が付与されるとともに外輪２１ａ、２１ｂ間の軸方向の距離としての隙間４０が形成される。
回転機構付軸方向微動機構４１は、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂ、嵌合軸２６、内輪係止部２９、内輪間座３０、内輪スペーサ３１、ロックナット３２、ハウジング２７、外輪係止部３８、外輪スペーサ３７、圧電アクチュエータ３６およびカバー３９等を、図１に示すように、ねじ軸１１の同軸上に配置することにより構成される。
粗微動位置決め装置１は、回転機構付軸方向微動機構４１および粗動機構１０により構成される。
【００３１】
次に、粗微動位置決め装置１の制御系の構成を説明する。
図４は、粗微動位置決め装置１の制御系の構成を示すブロック図である。
粗微動位置決め装置１の制御系は、図４に示すように、位置センサ１７の検出信号に基づいて分解能が異なる複数のフィードバック信号を出力する信号調整器４２と、信号調整器４２からのフィードバック信号に基づいて駆動モータ１４を制御する粗動制御装置４５ａと、信号調整器４２からのフィードバック信号に基づいて圧電アクチュエータ３６を制御する微動制御装置４５ｂと、微動制御装置４５ｂからの制御電圧を増幅して圧電アクチュエータ３６に出力するアンプ４３とを有して構成されている。
【００３２】
信号調整器４２は、２つの入力端子および３つの出力端子を有し、位置センサ１７の検出信号および目標位置を示す指令値信号を各入力端子から入力する。また、位置センサ１７の検出信号を第１分解能でエンコードし、得られた第１エンコード信号を第１出力端子から出力する。また、位置センサ１７の検出信号を第１分解能よりも高い第２分解能でエンコードし、得られた第２エンコード信号を第２出力端子から出力する。また、第２エンコード信号と指令値信号との偏差を算出し、算出した偏差を示す偏差信号を第３出力端子から出力する。第２エンコード信号および偏差信号はいずれもアナログ信号である。
【００３３】
第１出力端子には粗動制御装置４５ａが接続され、第１エンコード信号がフィードバック信号として粗動制御装置４５ａに入力される。第３出力端子には微動制御装置４５ｂが接続され、偏差信号がフィードバック信号として微動制御装置４５ｂに入力される。
粗動制御装置４５ａは、粗動位置決め処理を実行する制御部４６ａと、制御部４６ａが実行するプログラムやそれに用いる各種のデータおよび制御部４６ａの処理結果等が格納される記憶部４７ａと、駆動モータ１４を駆動するモータ駆動部４８ａとを有して構成されている。また、指令値信号を信号調整器４２に出力する。
【００３４】
記憶部４７ａには、粗動制御を行う粗動制御プログラムと、移動台６を停止させる目標位置を記憶した移動先指示テーブルとが格納されている。
微動制御装置４５ｂは、微動位置決め処理を実行する制御部４６ｂと、制御部４６ｂが実行するプログラムやそれに用いる各種のデータおよび制御部４６ｂの処理結果等が格納される記憶部４７ｂと、圧電アクチュエータ３６を駆動するアクチュエータ駆動部４８ｂとを有して構成されている。
記憶部４７ｂには、微動制御を行う微動制御プログラムが格納されている。
なお、本実施の形態では、微動制御装置４５ｂの指令値は常時「０」に設定されている。
【００３５】
次に、粗動制御装置４５ａで実行される処理を説明する。
制御部４６ａは、記憶部４７ａに格納されている粗動制御プログラムを起動させ、粗動制御プログラムに従って、図５のフローチャートに示す粗動位置決め処理を実行する。
図５は、粗動位置決め処理を示すフローチャートである。
粗動位置決め処理は、制御部４６ａにおいて実行されると、図５に示すように、まず、ステップＳ１００に移行する。
【００３６】
ステップＳ１００では、移動先指示テーブルから目標位置を読み出し、ステップＳ１０２に移行して、読み出した目標位置を示す指令値信号を１回の粗動制御および微動制御が完了するまで出力し続ける指令値信号出力処理を実行し、ステップＳ１０４に移行する。
ステップＳ１０４では、目標位置と現在位置との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット１２が移動するときに必要なねじ軸１１の回転数を演算し、演算した回転数を粗動指令としてモータ駆動部４８ａに出力する粗動制御処理を実行し、ステップＳ１０６に移行する。
【００３７】
ステップＳ１０６では、フィードバック信号を信号調整器４２から入力し、ステップＳ１０８に移行して、入力したフィードバック信号に基づいて駆動モータ１４が停止したか否かを判定し、駆動モータ１４が停止した判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１０に移行して、粗動制御が完了したことを示す粗動完了信号を微動制御装置４５ｂに出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ１０８で、駆動モータ１４が停止しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１０６に移行する。
【００３８】
次に、微動制御装置４５ｂで実行される処理を説明する。
制御部４６ｂは、記憶部４７ｂに格納されている微動制御プログラムを起動させ、微動制御プログラムに従って、図６のフローチャートに示す微動位置決め処理を実行する。
図６は、微動位置決め処理を示すフローチャートである。
微動位置決め処理は、制御部４６ｂにおいて実行されると、図６に示すように、まず、ステップＳ２００に移行する。
ステップＳ２００では、粗動完了信号を入力したか否かを判定し、粗動完了信号を入力したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ２０２に移行するが、そうでないと判定したとき(No)は、粗動完了信号を入力するまでステップＳ２００で待機する。
【００３９】
ステップＳ２０２では、フィードバック信号を信号調整器４２から入力し、ステップＳ２０４に移行して、入力したフィードバック信号が示す偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する微動制御処理を実行し、ステップＳ２０６に移行する。
ステップＳ２０６では、フィードバック信号が示す偏差が所定値以下であるか否かを判定し、偏差が所定値以下であると判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ２０６で、偏差が所定値よりも大きいと判定したとき(No)は、ステップＳ２０２に移行する。
【００４０】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
図７は、粗微動位置決め装置１の動作を示すタイムチャートである。
粗微動位置決め装置１が動作を開始すると、制御部４６ａは粗動制御プログラムを、制御部４６ｂは微動制御プログラムを起動する。
制御部４６ｂは、微動制御プログラムが起動すると、初期設定指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する。アクチュエータ駆動部４８ｂは、初期設定指令を初期設定電圧Ｖｏに変換し、これを圧電アクチュエータ３６に供給して保持する。初期設定電圧Ｖｏは、圧電アクチュエータ３６の有効ストロークの約半分の伸びを与える電圧であり、圧電アクチュエータ３６に初期設定電圧Ｖｏを印加した状態での移動台６の位置が原位置となる。
【００４１】
次に、制御部４６ａは、移動先指示テーブルに記憶された最初の目標位置を読み出す。そして、目標位置を示す指令値信号を１回の粗動制御および微動制御が完了するまで信号調整器４２に出力し続ける。
目標位置を読み出した制御部４６ａは、図７に示すように、目標位置と現在位置（原位置）との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット１２が移動するときに必要なねじ軸１１の回転数を演算し、これを粗動指令としてモータ駆動部４８ａに出力する。モータ駆動部４８ａは、粗動指令を駆動モータ１４の駆動信号に変換し、これを駆動モータ１４に供給する。
【００４２】
駆動モータ１４はステッピングモータであるので、駆動信号は、演算したねじ軸１１の回転数を回転させるために必要なステッピングモータの角度ステップ数に相当するパルス信号である。
駆動モータ１４は、駆動信号が供給されると、駆動信号に対応した回転数分回転し、ねじ軸１１が回転してナット１２を軸方向に移動させる。
【００４３】
一方、信号調整器４２は、移動台６の移動に伴って位置センサ１７が出力するスケール１８の凹凸を示すパルス状の検出信号を入力し、これを第１分解能でエンコードし、得られた第１エンコード信号をフィードバック信号として制御部４６ａに出力する。また、指令値信号を入力し、位置センサ１７の検出信号を第２分解能でエンコードし、得られた第２エンコード信号と指令値信号との偏差を算出し、算出した偏差を示す偏差信号をフィードバック信号として制御部４６ｂに出力する。
【００４４】
制御部４６ａは、フィードバック信号を入力し、パルス数を計数して移動台６の位置を認識しながら移動台６が停止（駆動モータ１４の回転の停止）するまで待機し、移動台６が停止した時に認識していた位置を現在位置として認識する。
このように、ねじ軸１１を回転させてナット１２とともに移動台６を基台５に対して軸方向に移動させる粗動機構１０により移動台６の粗動動作が行われる。
【００４５】
この場合に、圧電アクチュエータ３６は、初期設定電圧Ｖｏが印加されているだけで位置センサ１７によるフィードバック制御はかけられていない。また、圧電アクチュエータ３６は、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態となっている。
制御部４６ａは、粗動制御が完了すると、粗動完了信号を制御部４６ｂに出力する。
【００４６】
制御部４６ｂは、粗動完了信号を入力すると、図７に示すように、フィードバック信号を入力し、フィードバック信号が示す偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する。アクチュエータ駆動部４８ｂは、微動指令を電圧に変換し、この制御電圧を圧電アクチュエータ３６に印加する。
回転機構付軸方向微動機構４１では、圧電アクチュエータ３６の変位の半分の変位となる外輪２１ａと内輪２３ａの相対変位量が移動台６の微動変位量となるから、そのときの圧電アクチュエータ３６には、偏差分の２倍の変位を与えるような制御電圧と初期設定電圧Ｖｏを加算した電圧が印加されることとなる。
【００４７】
図８は、回転機構付軸方向微動機構４１の微動動作を説明するための図である。
例えば、圧電アクチュエータ３６に２Ｘの伸びが生ずると、この伸びにより生じた押圧力は、図８に示すように、微動制御を行う前の予圧に加えて外輪２１ｂを押圧し、外輪２１ｂを軸方向（図１において左。以下、軸方向左という。）に移動させ、隙間４０が２Ｘ分さらに狭くなって圧電アクチュエータ３６の伸びを吸収する。この隙間４０の変位は、ボール２５ｂと外輪軌道２２ｂおよび内輪軌道２４ｂとの当接面、並びにボール２５ａと外輪軌道２２ａおよび内輪軌道２４ａとの当接面を微動制御を行う前の予圧に加えて押圧し、これらの間に弾性変形が生じ、内輪２３ａ、２３ｂがそれぞれＸずつ軸方向左に変位する。なお、外輪２１ｂの変位量に対する内輪２３ａ、２３ｂの変位量は、予圧の大きさ、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの剛性、その他の条件により適宜に設定することができる。
【００４８】
これに対し、圧電アクチュエータ３６が２Ｘ縮むと、押圧力が減少し、外輪２１ｂを軸方向（図１において右。以下、軸方向右という。）に移動させ、隙間４０が２Ｘ分さらに広くなって圧電アクチュエータ３６の縮みを吸収する。この隙間４０の変位によって弾性変形が生じ、内輪２３ａ、２３ｂがそれぞれＸずつ軸方向右に変位する。
このように、隙間４０の変位２Ｘを内輪２３ａ、２３ｂがＸずつに分けて吸収するので、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの互いを押圧する力がバランスしたときに、内輪２３ａ、２３ｂがねじ軸１１とともに軸方向にＸ移動する。この場合のねじ軸１１の移動は、カップリング１５の伸長により、反対側の軸端の移動は、支持軸受１６の遊びにより吸収される。
【００４９】
これにより、ナット１２が軸方向にＸ移動し、移動台６が基台５に対して軸方向左にＸ移動する。つまり、圧電アクチュエータ３６の２Ｘの変位（伸縮量）の半分のＸの変位となる外輪２１ａと内輪２３ａの相対変位量が移動台６の微動変位量になる。
このようにして微動動作が行われ、制御部４６ｂは、フィードバック信号が示す偏差をなくすようにフィードバック制御を行いながら移動台６を目標位置に停止させる。
【００５０】
なお、外輪２１ａ、２１ｂ間の隙間４０を圧電アクチュエータ３６の伸縮により変化させて微動動作を行わせるので、結果として予圧を変化させることになるが、圧電アクチュエータ３６の微動動作に伴う伸びは最大で１０μｍ程度、通常は数μｍ程度であり、それにより生じる予圧の変化は小さいものであるので、外輪軌道２２ａ、２２ｂや内輪軌道２４ａ、２４ｂおよびボール２５ａ、２５ｂに圧痕等が生じることはない。
【００５１】
また、回転機構付軸方向微動機構４１には剛性の低いバネが存在せず、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂを剛性の非常に高いバネ部材として機能させ、圧縮方向の荷重に対しては非常に高い剛性を有する圧電アクチュエータ３６と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性が静的にも動的にも圧電アクチュエータ３６を組み込まない軸受ユニットと略同一の剛性を維持することができるので、応答性が高く安定した微動動作を実現することができる。
【００５２】
さらに、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに付与した予圧の反力が圧電アクチュエータ３６に作用し、常に圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせるので、引張荷重による破損の発生もなく、それを避けるためのバネを用いる必要もない。
さらに、圧電アクチュエータ３６の分だけ長いハウジング２７およびねじ軸１１を用いるだけで、軸受ユニットを組み立てる方法と同一の方法で組み立てることができ、圧電アクチュエータ３６の組立に特別な配慮を払うことなく容易に回転機構付軸方向微動機構４１を組み立てることができる。
【００５３】
さらに、圧電アクチュエータ３６をハウジング２７の内周面を案内としてハウジング２７に組み込めば自動的に同軸上に配置されるので、圧電アクチュエータ３６に半径方向荷重やモーメント荷重が作用して早期に破損する可能性を低減することができる。
さらに、圧電アクチュエータ３６をねじ軸１１と同軸上に配置できるので、圧電アクチュエータ３６の変位を純粋な軸方向変位とすることができ、高精度な微動動作を行うことができる。
【００５４】
このようにして、本実施の形態では、位置センサ１７の検出信号を第１分解能でエンコードして得られた第１エンコード信号をフィードバック信号として粗動制御装置４５ａに出力し、位置センサ１７の検出信号を第２分解能でエンコードして得られた第２エンコード信号と指令値信号との偏差を示す偏差信号をフィードバック信号として微動制御装置４５ｂに出力する信号調整器４２を備える。
【００５５】
これにより、微動機構を有しない既存の位置決め装置に対して、粗微動位置決め装置専用のコントローラを導入することなく、回転機構付軸方向微動機構４１、微動制御装置４５ｂおよび信号調整器４２を導入するだけで製作することができるので、従来に比して、システムを再構築しなくてすみ、製作に要する時間や労力を低減することができる。また、粗動制御装置４５ａには、分解能の低いフィードバック信号を入力する構成としたことにより、粗動制御装置４５ａとして安価な製品を利用することができるとともに、粗動制御装置４５ａがフィードバック信号を読み取る周期を短くしなくてすむので、従来に比して、コストを低減することができる。
【００５６】
さらに、本実施の形態では、粗動制御装置４５ａは、粗動制御が完了したことを示す粗動完了信号を微動制御装置４５ｂに出力し、微動制御装置４５ｂは、粗動完了信号に基づいて微動制御を開始し、微動制御を粗動動作が停止しているときに行う。
これにより、粗動動作と微動動作の動きが重なって、粗動動作の動きを微動で補正するように制御が干渉し合うことがないので、制御を単純化することができ、微動動作時の圧電アクチュエータ３６の変位により、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの予圧量が変化してもアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂは回転していないから、予圧変化に伴うトルク増加等の影響も発生しない。
【００５７】
さらに、本実施の形態では、微動制御装置４５ｂへのフィードバック信号は、アナログ信号である。
これにより、微動制御装置４５ｂとして高価なサーボ制御装置を利用しなくてもすむので、コストをさらに低減することができる。
さらに、本実施の形態では、対向配置して予圧を付与したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの一方の外輪２１ａをハウジング２７に軸方向に拘束し、外輪２１ａ、２１ｂ間の距離を圧電アクチュエータ３６の伸縮により変化させるようにした。
【００５８】
これにより、対向配置したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂを剛性の非常に高いバネ部材として機能させ、圧電アクチュエータ３６の圧縮方向の高い剛性と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性を高く維持することができるので、応答性が高く安定した微動動作を実現することができる。また、圧電アクチュエータ３６に予圧の反力が作用し、常に圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせることができるので、圧電アクチュエータ３６の引張荷重による破損の発生を防止することができる。
【００５９】
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３６を非通電とした状態であらかじめ予圧を付与した。
これにより、圧電アクチュエータ３６の変位量がゼロになっても予圧抜けしない。また、圧電アクチュエータ３６には位置決め動作を行うときのみ通電すればよく、通電時間が短くなるので、圧電アクチュエータ３６の耐久性を向上させることができる。
【００６０】
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３６を積層型とした。
これにより、安価で低電圧駆動の圧電アクチュエータ３６を使用することができる。
さらに、本実施の形態では、位置センサ１７からの基台５と移動台６との相対移動量を示す検出信号により認識した現在位置と目標位置との偏差をフィードバックして微動制御を行う。
【００６１】
これにより、ねじ軸１１のリード誤差や圧電アクチュエータ３６のヒステリシス等があった場合においても高精度な微細位置決めを行うことができる。
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３６を中空としてハウジング２７の内周面に嵌合させ、ねじ軸１１を挿入してねじ軸１１と同軸に配置するようにした。
これにより、圧電アクチュエータ３６の分だけ長いハウジング２７およびねじ軸１１を用いるだけで、軸受ユニットを組み立てる方法と同一の方法で組み立てることができ、回転機構付軸方向微動機構４１の組立を容易に行うことができる。
【００６２】
さらに、本実施の形態では、内輪２３ａ、２３ｂの内周面をねじ軸１１の外周面に嵌合させ、内輪２３ａ、２３ｂの軸方向の移動を内輪係止部２９とロックナット３２により挟み付けてねじ軸１１に固定するとともに、外輪２１ａの軸方向の移動を外輪係止部３８によりハウジング２７に拘束し、外輪２１ｂを圧電アクチュエータ３６により軸方向に移動させるようにした。
【００６３】
これにより、圧電アクチュエータ３６の変位の半分をねじ軸１１の変位とすることができ、圧電アクチュエータ３６の変位の誤差を半減して高精度な微動動作を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３６をアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの非回転側である外輪２１ａを押圧するように配置した。
これにより、圧電アクチュエータ３６への配線を容易に行うことができる。
上記第１の実施の形態において、移動台６は、請求項１、３または７記載の移動部に対応し、信号調整器４２は、請求項１または３記載の信号調整手段に対応している。
【００６４】
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図９ないし図１１は、本発明に係る粗微動位置決め装置の第２の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、上記第１の実施の形態に対して、偏差信号ではなく第２エンコード信号を回転機構付軸方向微動機構４１へのフィードバック信号として利用する点が異なる。なお、以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第１の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、粗微動位置決め装置１の制御系の構成を説明する。
【００６５】
図９は、粗微動位置決め装置１の制御系の構成を示すブロック図である。
粗微動位置決め装置１の制御系は、図９に示すように、信号調整器４２、粗動制御装置４５ａ、微動制御装置４５ｂおよびアンプ４３のほか、粗動制御装置４５ａおよび微動制御装置４５ｂに指令値信号を出力するシーケンサ４５ｃを有して構成されている。
信号調整器４２の第１出力端子には粗動制御装置４５ａが接続され、第１エンコード信号がフィードバック信号として粗動制御装置４５ａに入力される。第２出力端子には微動制御装置４５ｂが接続され、第２エンコード信号がフィードバック信号として微動制御装置４５ｂに入力される。
【００６６】
シーケンサ４５ｃは、ステップＳ１０２と同様の指令値信号出力処理を実行する制御部４６ｃと、制御部４６ｃが実行するプログラムやそれに用いる各種のデータおよび制御部４６ｃの処理結果等が格納される記憶部４７ｃとを有して構成されている。
記憶部４７ｃには、指令値信号出力処理を実行するための制御プログラムと、移動先指示テーブルとが格納されている。
なお、本実施の形態では、粗動制御装置４５ａは指令値信号を出力せず、粗動制御装置４５ａおよび微動制御装置４５ｂ自身が保持する指令値は、制御に利用しないため「０」に設定されている。
【００６７】
次に、粗動制御装置４５ａで実行される処理を説明する。
制御部４６ａは、図５の粗動位置決め処理に代えて、図１０のフローチャートに示す粗動位置決め処理を実行する。
図１０は、粗動位置決め処理を示すフローチャートである。
粗動位置決め処理は、制御部４６ａにおいて実行されると、図１０に示すように、まず、ステップＳ３００に移行する。
ステップＳ３００では、指令値信号をシーケンサ４５ｃから入力し、ステップＳ３０２に移行する。
ステップＳ３０２では、入力した指令値信号に基づいて目標位置と現在位置との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット１２が移動するときに必要なねじ軸１１の回転数を演算し、演算した回転数を粗動指令としてモータ駆動部４８ａに出力する粗動制御処理を実行し、ステップＳ３０４に移行する。
【００６８】
ステップＳ３０４では、フィードバック信号を信号調整器４２から入力し、ステップＳ３０６に移行して、入力したフィードバック信号に基づいて駆動モータ１４が停止したか否かを判定し、駆動モータ１４が停止した判定したとき(Yes)は、ステップＳ３０８に移行して、微動制御装置４５ｂに粗動完了信号を出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ３０６で、駆動モータ１４が停止しないと判定したとき(No)は、ステップＳ３０４に移行する。
【００６９】
次に、微動制御装置４５ｂで実行される処理を説明する。
制御部４６ｂは、図６の微動位置決め処理に代えて、図１１のフローチャートに示す微動位置決め処理を実行する。
図１１は、微動位置決め処理を示すフローチャートである。
微動位置決め処理は、制御部４６ｂにおいて実行されると、図１１に示すように、まず、ステップＳ４００に移行する。
ステップＳ４００では、粗動完了信号を入力したか否かを判定し、粗動完了信号を入力したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ４０２に移行するが、そうでないと判定したとき(No)は、粗動完了信号を入力するまでステップＳ４００で待機する。
【００７０】
ステップＳ４０２では、指令値信号をシーケンサ４５ｃから入力し、ステップＳ４０４に移行して、フィードバック信号を信号調整器４２から入力し、ステップＳ４０６に移行して、入力した指令値信号およびフィードバック信号に基づいて目標位置と現在位置との偏差を算出し、ステップＳ４０８に移行する。
ステップＳ４０８では、算出した偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する微動制御処理を実行し、ステップＳ４１０に移行する。
【００７１】
ステップＳ４１０では、フィードバック信号が示す偏差が所定値以下であるか否かを判定し、偏差が所定値以下であると判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ４１０で、偏差が所定値よりも大きいと判定したとき(No)は、ステップＳ４０４に移行する。
【００７２】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
粗微動位置決め装置１が動作を開始すると、制御部４６ｃは制御プログラムを、制御部４６ａは粗動制御プログラムを、制御部４６ｂは微動制御プログラムを起動する。
制御部４６ｃは、制御プログラムが起動すると、移動先指示テーブルに記憶された最初の目標位置を読み出す。そして、目標位置を示す指令値信号を１回の粗動制御および微動制御が完了するまで粗動制御装置４５ａおよび微動制御装置４５ｂに出力し続ける。
【００７３】
制御部４６ａは、粗動制御プログラムが起動すると、指令値信号を入力し、目標位置と現在位置（原位置）との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット１２が移動するときに必要なねじ軸１１の回転数を演算し、これを粗動指令としてモータ駆動部４８ａに出力する。モータ駆動部４８ａは、粗動指令を駆動モータ１４の駆動信号に変換し、これを駆動モータ１４に供給する。
【００７４】
駆動モータ１４は、駆動信号が供給されると、駆動信号に対応した回転数分回転し、ねじ軸１１が回転してナット１２を軸方向に移動させる。
一方、信号調整器４２は、位置センサ１７の検出信号を入力し、これを第１分解能でエンコードし、得られた第１エンコード信号をフィードバック信号として制御部４６ａに出力する。また、位置センサ１７の検出信号を第２分解能でエンコードし、得られた第２エンコード信号をフィードバック信号として制御部４６ｂに出力する。
【００７５】
制御部４６ａは、フィードバック信号を入力し、パルス数を計数して移動台６の位置を認識しながら移動台６が停止（駆動モータ１４の回転の停止）するまで待機し、移動台６が停止した時に認識していた位置を現在位置として認識する。
このように、ねじ軸１１を回転させてナット１２とともに移動台６を基台５に対して軸方向に移動させる粗動機構１０により移動台６の粗動動作が行われる。
【００７６】
制御部４６ａは、粗動制御が完了すると、粗動完了信号を制御部４６ｂに出力する。
制御部４６ｂは、粗動完了信号を入力すると、指令値信号およびフィードバック信号を入力し、目標位置と現在位置との偏差を算出し、算出した偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する。アクチュエータ駆動部４８ｂは、微動指令を電圧に変換し、この制御電圧を圧電アクチュエータ３６に印加する。
【００７７】
その後の動作は、上記第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
このようにして、本実施の形態では、位置センサ１７の検出信号を第１分解能でエンコードして得られたエンコード信号をフィードバック信号として粗動制御装置４５ａに出力し、位置センサ１７の検出信号を第２分解能でエンコードして得られたエンコード信号をフィードバック信号として微動制御装置４５ｂに出力する信号調整器４２を備える。
これにより、上記第１の実施の形態と同等の効果が得られる。
上記第２の実施の形態において、信号調整器４２は、請求項４記載の信号調整手段に対応している。
【００７８】
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１２および図１３は、本発明に係る粗微動位置決め装置の第３の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、上記第１の実施の形態に対して、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂをハウジング２７に設置してナット６１を回転可能に支持する点が異なる。なお、以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第１の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
まず、粗微動位置決め装置１の移動機構を説明する。
図１２は、回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
図１３は、粗微動位置決め装置１の側面図である。
図１２、図１３において、６１はボールねじ装置１３のナットであり、上記第１の本実施の形態と同様に、内周面に軸軌道溝１１ａに対向する図示しないナット軌道溝が形成されており、複数の図示しないボールを介してねじ軸１１に遊びのない状態で螺合している。
【００８０】
ナット６１の外周面には、正面組合せとしてアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの内輪２３ａ、２３ｂの内周面が嵌合しており、ナット６１の一端には、ロックナット３２が螺合するねじ部６２が形成されている。
６３は内輪係止部であり、ナット６１のねじ部６２の反対側の端部に形成された内輪２３ａ、２３ｂの外径と略同等の直径を有する大径部であって、内輪２３ａの一方の側面を係止する。
【００８１】
６４は内輪間座であり、内輪２３ａ、２３ｂと略同等の外径および内径を有する円筒状部材であって、その内周面がナット６１の外周面に嵌合して内輪２３ａ、２３ｂの間に配置される。
６５は内輪スペーサであり、内輪２３ａ、２３ｂ略同等の外径および内径を有する円筒状部材であって、その内周面がナット６１の外周面に嵌合して内輪２３ｂの内輪間座３０の反対側に配置される。
【００８２】
６７は駆動モータであり、ねじ軸１１が挿入される中空穴を有するステッピングモータ等の正逆回転可能な中空モータであって、カップリング６８によりナット６１のねじ部６２側と結合してナット６１を回転駆動する。
アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂは、正面組合せで内輪間座６４を介して対向配置され、内輪係止部６３との間に内輪２３ａ、内輪間座６４、内輪２３ｂおよび内輪スペーサ６５がロックナット３２により締め付けられ、内輪２３ａ、２３ｂの軸方向の移動がナット６１に固定される。
【００８３】
外輪２１ａは、上記第１の実施の形態と同様に、ハウジング２７の内周面に嵌合して外輪係止部３８により軸方向の移動が拘束されるとともに拘束されない側の外輪２１ｂが外輪スペーサ３７および非通電とした圧電アクチュエータ３６を介してカバー３９の締結により押圧され、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧が付与されるとともに外輪２１ａ、２１ｂ間に隙間４０が形成される。
【００８４】
ねじ軸１１は、基台５の両側に配置された固定部６９に固定され、ハウジング２７および駆動モータ６７は移動台６に固定されており、粗動機構１０は、軸方向の移動および回転を固定されたねじ軸１１に螺合し、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂにより回転可能に支持されたナット６１を駆動モータ６７がカップリング６８を介して回転させることにより形成される。
回転機構付軸方向微動機構４１は、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂ、ナット６１、内輪係止部６３、内輪間座６４、内輪スペーサ６５、ロックナット３２、ハウジング２７、外輪係止部３８、外輪スペーサ３７、圧電アクチュエータ３６およびカバー３９等を、図１２に示すように、ナット６１の同軸上に配置することにより構成される。
【００８５】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
粗微動位置決め装置１には、上記第１の実施の形態と同様の制御系が実装されている。この場合に、モータ駆動部４８ａは、駆動モータ６７を駆動する駆動信号を送出する機能を有している。
制御部４６ｂは、微動制御プログラムが起動すると、初期設定指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する。アクチュエータ駆動部４８ｂは、初期設定指令を初期設定電圧Ｖｏに変換し、これを圧電アクチュエータ３６に供給して保持する。初期設定電圧Ｖｏは、圧電アクチュエータ３６の有効ストロークの約半分の伸びを与える電圧であり、圧電アクチュエータ３６に初期設定電圧Ｖｏを印加した状態での移動台６の位置が原位置となる。
【００８６】
次に、制御部４６ａは、移動先指示テーブルに記憶された最初の目標位置を読み出す。そして、目標位置を示す指令値信号を１回の粗動制御および微動制御が完了するまで信号調整器４２に出力し続ける。
目標位置を読み出した制御部４６ａは、目標位置と現在位置（原位置）との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット６１が移動するときに必要なナット６１の回転数を演算し、これを粗動指令としてモータ駆動部４８ａに出力する。モータ駆動部４８ａは、粗動指令を駆動モータ６７の駆動信号に変換し、これを駆動モータ６７に供給する。
【００８７】
駆動モータ６７はステッピングモータであるので、駆動信号は、演算したナット６１の回転数を回転させるために必要なステッピングモータの角度ステップ数に相当するパルス信号である。
駆動モータ６７は、駆動信号が供給されると、駆動信号に対応した回転数分回転し、ナット６１がねじ軸１１上で回転して移動台６を軸方向に移動させる。
【００８８】
一方、信号調整器４２は、位置センサ１７の検出信号を入力し、これを第１分解能でエンコードし、得られた第１エンコード信号をフィードバック信号として制御部４６ａに出力する。また、指令値信号を入力し、位置センサ１７の検出信号を第２分解能でエンコードし、得られた第２エンコード信号と指令値信号との偏差を算出し、算出した偏差を示す偏差信号をフィードバック信号として制御部４６ｂに出力する。
【００８９】
制御部４６ａは、フィードバック信号を入力し、パルス数を計数して移動台６の位置を認識しながら移動台６が停止（駆動モータ６７の回転の停止）するまで待機し、移動台６が停止した時に認識していた位置を現在位置として認識する。
このように、ナット６１を回転させてナット６１とともに移動台６を基台５に対して軸方向に移動させる粗動機構１０により移動台６の粗動動作が行われる。
【００９０】
この場合に、圧電アクチュエータ３６は、初期設定電圧Ｖｏが印加されているだけで位置センサ１７によるフィードバック制御はかけられていない。また、圧電アクチュエータ３６は、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態となっている。
制御部４６ａは、粗動制御が完了すると、粗動完了信号を制御部４６ｂに出力する。
【００９１】
制御部４６ｂは、粗動完了信号を入力すると、フィードバック信号を入力し、フィードバック信号が示す偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４８ｂに出力する。アクチュエータ駆動部４８ｂは、微動指令を電圧に変換し、この制御電圧を圧電アクチュエータ３６に印加する。
回転機構付軸方向微動機構４１では、上記第１の実施の形態と同様に、圧電アクチュエータ３６の変位の半分の変位となる外輪２１ａと内輪２３ａの相対変位量が移動台６の微動変位量となる。
【００９２】
すなわち、上記第１の実施の形態と同様に、圧電アクチュエータ３６に２Ｘの伸びが生ずると、この伸びにより生じた押圧力は、微動制御を行う前の予圧に加えて外輪２１ｂを押圧し、外輪２１ｂを軸方向左に移動させ、隙間４０が２Ｘ分さらに狭くなって圧電アクチュエータ３６の伸びを吸収する。この隙間４０の変位によって弾性変形が生じ、内輪２３ａ、２３ｂがそれぞれＸずつ軸方向左に変位する。
【００９３】
これに対し、圧電アクチュエータ３６が２Ｘ縮むと、押圧力が減少し、外輪２１ｂを軸方向右に移動させ、隙間４０が２Ｘ分さらに広くなって圧電アクチュエータ３６の縮みを吸収する。この隙間４０の変位によって弾性変形が生じ、内輪２３ａ、２３ｂがそれぞれＸずつ軸方向右に変位する。
このように、隙間４０の変位２Ｘを内輪２３ａ、２３ｂがＸずつに分けて吸収するので、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの互いを押圧する力がバランスしたときに、内輪２３ａ、２３ｂがナット６１とともに軸方向にＸ移動する。この場合のナット６１の移動は、カップリング６８の伸長により吸収される。
【００９４】
これにより、ナット６１が軸方向にＸ移動し、移動台６が基台５に対して軸方向右にＸ移動する。
このようにして微動動作が行われ、制御部４６ｂは、フィードバック信号が示す偏差をなくすようにフィードバック制御を行いながら移動台６を目標位置に停止させる。
その後の動作は、上記第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００９５】
なお、回転機構付軸方向微動機構４１には、上記第１の実施の形態と同様に、剛性の低いバネが存在しないので、圧縮方向の荷重に対しては非常に高い剛性を有する圧電アクチュエータ３６と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性が静的にも動的にも圧電アクチュエータ３６を組み込まない軸受ユニットと略同一の剛性を維持することができるので、応答性が高く安定した微動動作を実現することができる。
【００９６】
また、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに付与した予圧の反力が圧電アクチュエータ３６に作用し、常に圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせるので、引張荷重による破損の発生もなく、それを避けるためのバネを用いる必要もない。
さらに、圧電アクチュエータ３６の分だけ長いハウジング２７およびねじ軸１１を用いるだけで、軸受ユニットを組み立てる方法と同一の方法で組み立てることができ、圧電アクチュエータ３６の組立に特別な配慮を払うことなく容易に回転機構付軸方向微動機構４１を組み立てることができる。
【００９７】
さらに、圧電アクチュエータ３６をハウジング２７の内周面を案内としてハウジング２７に組み込めば自動的に同軸上に配置されるので、圧電アクチュエータ３６に半径方向荷重やモーメント荷重が作用して早期に破損する可能性を低減することができる。
さらに、圧電アクチュエータ３６をナット６１と同軸上に配置できるので、圧電アクチュエータ３６の変位を純粋な軸方向変位とすることができ、高精度な微動動作を行うことができる。
【００９８】
このようにして、本実施の形態では、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂをハウジング２７に設置してナット６１を回転可能に支持し、対向配置して予圧を付与したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの一方の外輪２１ａをハウジング２７に軸方向に拘束し、外輪２１ａ、２１ｂ間の距離を圧電アクチュエータ３６の伸縮により変化させるようにした。
これにより、上記第１の実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【００９９】
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３６を中空としてハウジング２７の内周面に嵌合させ、ナット６１を挿入してナット６１と同軸に配置するようにした。
これにより、圧電アクチュエータ３６の分だけ長いハウジング２７およびねじ軸１１を用いるだけで、軸受ユニットを組み立てる方法と同一の方法で組み立てることができ、回転機構付軸方向微動機構４１の組立を容易に行うことができる。
【０１００】
さらに、本実施の形態では、内輪２３ａ、２３ｂの内周面をナット６１の外周面に嵌合させ、内輪２３ａ、２３ｂの軸方向の移動を内輪係止部６３とロックナット３２により挟み付けてナット６１に固定するとともに、外輪２１ａの軸方向の移動を外輪係止部３８によりハウジング２７に拘束し、外輪２１ｂを圧電アクチュエータ３６により軸方向に移動させるようにした。
【０１０１】
これにより、圧電アクチュエータ３６の変位の半分を移動台６の変位とすることができ、圧電アクチュエータ３６の変位の誤差を半減して高精度な微動動作を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３６をアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの非回転側である外輪２１ａを押圧するように配置した。
【０１０２】
これにより、圧電アクチュエータ３６への配線を容易に行うことができる。
上記第３の実施の形態において、移動台６は、請求項８記載の移動部に対応している。
なお、上記第１ないし第３の実施の形態においては、微動制御装置４５ｂへのフィードバック信号をアナログ信号として出力するように構成したが、これに限らず、デジタル信号として出力するように構成することもできる。
また、上記第１ないし第３の実施の形態においては、対向配置した内輪２３ａ、２３ｂの間に内輪間座３０、６４を設けて予圧を付与するように構成したが、これに限らず、内輪２３ａ、２３ｂの対向側の面を内輪間座３０、６４の幅の半分に相当する長さ伸長させて内輪２３ａ、２３ｂ同士を直接当接させるように構成することもできる。
【０１０３】
また、上記第１ないし第３の実施の形態においては、対向配置したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに非通電の圧電アクチュエータ３６を介してあらかじめ予圧を付与するように構成したが、これに限らず、圧電アクチュエータ３６の非通電時には予圧が発生しないように、隙間を介して圧電アクチュエータ３６と外輪２１ａ、２１ｂまたは内輪２３ａ、２３ｂを対向させておき、粗微動位置決め装置１の起動時等に所定の電圧を圧電アクチュエータ３６に印加して対向配置したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧を発生させるようにしてもよい。
【０１０４】
これにより、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧を与えるために、例えば、上記第１の実施の形態において、外輪スペーサ３７の軸方向の長さ等を予圧量に合わせて精密に調整するといった、いわゆる予圧調整が不要となり、所定の電圧の印加だけで容易に精密な予圧調整が可能となる。
また、上記第１ないし第３の実施の形態においては、１つのアンギュラ玉軸受からなる転がり軸受装置を２つ対向配置するように構成したが、これに限らず、複数のアンギュラ玉軸受を並列組み合わせて配置した１組の転がり軸受装置を２つ対向配置するようにしてもよく、例えば、片側に２個１組、他方に１個のアンギュラ玉軸受による２つの転がり軸受装置を対向配置するようにしてもよい。
【０１０５】
また、上記第１ないし第３の実施の形態においては、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂをねじ軸１１を支持する軸受として用いたが、これに限らず、回転を行いその回転の支持部を高速で微動させる回転および軸方向微動の複合運動機構全般に利用できることはいうまでもない。
また、上記第１および第２の実施の形態において、送りねじ装置は、ねじ軸１１とナット１２とをボールを介して螺合させるボールねじ装置１３として構成したが、これに限らず、ねじ軸１１とナット１２とを直接螺合させる滑りねじ装置として構成することもできる。
【０１０６】
また、上記第１ないし第３の実施の形態においては、フィードバック制御を微動制御のときに行うように構成したが、これに限らず、粗動制御のときに、目標位置と現在位置との偏差を用いてフィードバック制御を行うようにし、偏差が所定値以下となったときに粗動動作を停止するように構成することもできる。
これにより、ねじ軸１１のリード精度等を補正することができ、圧電アクチュエータ３６の微動動作による補正量を小さくすることができ、必要以上に大きな伸縮量を有する圧電アクチュエータ３６を用いる必要がなくなる。
【０１０７】
また、上記第１ないし第３の実施の形態においては、ねじ軸１１とナット１２、６１を螺合させたボールねじ装置１３を用いて長ストロークの範囲を駆動する粗動機構１０と、ナット１２、６１と移動台６の間に圧電アクチュエータ３６を配置し、基台５と移動台６との位置を圧電アクチュエータ３６の伸縮により変化させる回転機構付軸方向微動機構４１とを備えて構成したが、これに限らず、移動台６を移動させる粗動機構と、粗動機構よりも高い移動精度で移動台６を移動させる微動機構とを備える構成であれば任意の移動機構を採用することができる。例えば、粗動テーブルと微動テーブルの間に圧電アクチュエータを配置し、基台と微動テーブルとの位置を圧電アクチュエータの伸縮により変化させる移動機構に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
【図２】粗微動位置決め装置１の平面図である。
【図３】粗微動位置決め装置１の側面図である。
【図４】粗微動位置決め装置１の制御系の構成を示すブロック図である。
【図５】粗動位置決め処理を示すフローチャートである。
【図６】微動位置決め処理を示すフローチャートである。
【図７】粗微動位置決め装置１の動作を示すタイムチャートである。
【図８】回転機構付軸方向微動機構４１の微動動作を説明するための図である。
【図９】粗微動位置決め装置１の制御系の構成を示すブロック図である。
【図１０】粗動位置決め処理を示すフローチャートである。
【図１１】微動位置決め処理を示すフローチャートである。
【図１２】回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
【図１３】粗微動位置決め装置１の側面図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１                  粗微動位置決め装置
２                  直線案内機構
３                  レール
４                  スライダ
４ａ                移動台取付面
５                  基台
６                  移動台
１０                粗動機構
１１                ねじ軸
１１ａ              軸軌道溝
１２、６１          ナット
１３                ボールねじ装置
１４、６７          駆動モータ
１６                支持軸受
１７                位置センサ
１８                スケール
２０ａ、２０ｂ      アンギュラ玉軸受
２１ａ、２１ｂ      外輪
２２ａ、２２ｂ      外輪軌道
２３ａ、２３ｂ      内輪
２４ａ、２４ｂ      内輪軌道
２５ａ、２５ｂ      ボール
２６                嵌合軸
２７                ハウジング
２７ａ              ねじ穴
２９、６３          内輪係止部
３０、６４          内輪間座
３１、６５          内輪スペーサ
３２                ロックナット
３３、６２          ねじ部
３４                カップリング取付部
３６                圧電アクチュエータ
３６ａ              中空部
３７                外輪スペーサ
３８                外輪係止部
３９                カバー
４０                隙間
４１                回転機構付軸方向微動機構
４２                信号調整器
４５ａ              粗動制御装置
４５ｂ              微動制御装置
４５ｃ              シーケンサ
４６ａ〜４６ｃ      制御部
４７ａ〜４７ｃ      記憶部
４８ａ              モータ駆動部
４８ｂ              アクチュエータ駆動部
【図１】
2007198909.tif 000003
【図２】
2007198909.tif 000004
【図３】
2007198909.tif 000005
【図４】
2007198909.tif 000006
【図５】
2007198909.tif 000007
【図６】
2007198909.tif 000008
【図７】
2007198909.tif 000009
【図８】
2007198909.tif 000010
【図９】
2007198909.tif 000011
【図１０】
2007198909.tif 000012
【図１１】
2007198909.tif 000013
【図１２】
2007198909.tif 000014
【図１３】
2007198909.tif 000015